尾礦壩壩料的動力特性研究

王慶滿

(機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安710043)

尾礦壩是一種特殊的水工建筑物，尾礦壩壩料具有含水率高、土質(zhì)疏松、抗變形和抗液化能力弱、自振周期長等特征，并且大多數(shù)尾礦壩都采用上游法筑壩，其更不利于尾礦壩的抗震[1]。尾礦壩的運營好壞，直接影響到礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益及庫區(qū)下游居民的生命財產(chǎn)安全。一旦發(fā)生地震，后果往往觸目驚心。例如，1965年智利 7.25級地震中 12座尾礦壩不同程度發(fā)生破壞，造成 270人死亡[2];1986年 4月30日，安徽黃梅山尾礦庫發(fā)生潰壩，19人死亡，100人受傷;2008年9月8日，山西省臨汾市襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司尾礦庫潰壩，276人死亡，直接經(jīng)濟損失 9619萬，并造成嚴(yán)重環(huán)境污染[3]。尾礦壩壩料的動力特性直接影響著尾礦壩的穩(wěn)定性，許多學(xué)者對此進行了相關(guān)方面的研究[4－6]。本文以陜西某礦為依托，研究其壩料動力特征，為同類型尾礦壩的抗震穩(wěn)定性分析提供借鑒和參考。

1 尾礦壩壩料的物理力學(xué)性質(zhì)特征

尾礦壩是由尾礦渣沉積形成的，由于放礦支管的不規(guī)律放置，使其沖擊體呈現(xiàn)粒度粗細交替的變化特征。根據(jù)尾礦壩巖土工程勘察報告，本尾礦壩壩料以尾粉質(zhì)粘土為主，局部夾薄層尾粉土及尾粉砂。

本次試驗取樣深度分別為 5 m、9 m、13 m、20 m、34 m，個別土樣含薄層粉砂，其基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 試樣基本物理力學(xué)指標(biāo)

由表1可以看出，壩料含水率、天然密度及飽和度隨深度規(guī)律性不明顯，不同深度出現(xiàn)拐點，說明其礦物成分及物質(zhì)組成的不均勻性，按《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021－2001)(2009年版)分類，該尾礦庫壩料屬于低塑性的粉質(zhì)粘土。

2 動三軸試驗

2.1 實驗儀器

本次試驗儀器為英國進口GDS高精度雙向振動三軸儀，其基本工作原理是利用高速直流伺服馬達施加軸向和徑向的動荷載，根據(jù)電子荷重傳感器和位移傳感器的反饋對荷載和變形的大小進行計算機控制。可適用于 38、50、70、100 mm直徑的試樣。

2.2 試樣制備

本次土樣均采用敞口薄壁取土器靜壓取土，試樣尺寸:φ50 mm ×h100 mm。

2.3 試驗方案

本次動三軸試驗在固結(jié)應(yīng)力比 Kc=σ1/σ3=1條件下進行，圍壓分別設(shè)定為 100 kPa、200 kPa、300 kPa，采用應(yīng)力控制等效正弦加載方式，頻率為1 HZ，振動中心(datum):(σ3+σd)/2。

加荷過程:首先采用GDS的高級加載模塊給試樣施加預(yù)定圍壓，調(diào)節(jié)剛度系數(shù)，之后逐級施加動荷載，每級荷載循環(huán)震動10次，直到應(yīng)力 －應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值，若無峰值出現(xiàn)，一般以累積應(yīng)變 εd=5%作為試驗終止條件，本次為研究不同應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)下(3%、5%、7%)的動強度變化特征，則以 εd=8%作為試驗終止條件，動力幅值見表2。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 動模量

動彈性模量是研究土動力特征的重要參數(shù)，它表征土體在彈性變形階段的動應(yīng)力與動應(yīng)變關(guān)系?？山频囊罁?jù)滯回圈頂點連線的動應(yīng)力σd和動應(yīng)變εd，計算動彈性模量Ed。

表2 動應(yīng)力幅值設(shè)定表

圖1 不同圍壓下 Ed與εd關(guān)系

圖1 為不同圍壓下動彈性模量Ed與動應(yīng)變 εd關(guān)系曲線圖，以5 m試樣為例，其它試樣變化規(guī)律與其相似，此處不在詳述。結(jié)果表明:1)動彈性模量Ed隨著動應(yīng)變εd的增加而急劇遞減，遞減速率先快后慢;當(dāng)動應(yīng)變小于10－3時，動彈性模量 Ed與動應(yīng)變 εd呈近線性變化，當(dāng) εd=10－3～10－2時，動彈性模量Ed隨應(yīng)變εd遞減速率減慢，當(dāng)εd=10－2時，動彈性模量Ed約遞減為初始值的50%。2)在不同圍壓 σ3(100 kPa、200 kPa、300 kPa)條件下，動彈性模量 Ed與圍壓 σ3呈正相關(guān)性，圍壓每增加一級，動彈性模量 Ed增加約20%。

Hardin等人認為循環(huán)荷載作用下土的動應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系可用雙曲線表示[7－8]。

令 1/E0=a，1/σy=b，所以動彈性模量可表示為:

圖2 不同圍壓下1/Ed－εd擬合關(guān)系曲線

圖2 表明1/Ed～εd呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，擬合度較高，其中，a為截距，b為直線斜率。因此，動彈性模量與動應(yīng)變關(guān)系也可用雙曲線模型表示。

圖3 參數(shù)a、b與圍壓的關(guān)系曲線

由圖3中的擬合方程可以看出參數(shù)a、b均隨著圍壓的增大而減小，因此對其進行線性擬合，如圖4，即有:

3.2 阻尼比

阻尼比是研究土動力特征的另一個重要參數(shù)，它表征土體循環(huán)荷載循環(huán)一周所消耗能量的多少，反映了土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的滯后性。它的計算方法由應(yīng)力應(yīng)變滯回圈的面積來確定。

式中:AO為滯回圈面積;Ar為滯回圈頂點與X軸及原點圍成的三角形面積。

圖4 阻尼比λ與εd關(guān)系

圖4 表明:1)阻尼比λ隨著動應(yīng)變 εd的增大而增大，當(dāng)動應(yīng)變εd很微小時，阻尼比λ幾乎接近于零，隨著動應(yīng)變 εd的增大，阻尼比 λ 明顯增大，當(dāng) εd=0～10－3時，阻尼比 λ 隨著動應(yīng)變 εd的增大迅速攀升，當(dāng) εd=10－3～10－2時，特別是εd＞3×10－3后，阻尼比 λ增大的趨勢明顯放緩，曲線變得逐漸平緩，隨著εd的繼續(xù)發(fā)展，阻尼比漸進于某一常數(shù)，達到最大值，即 λmax。2)圍壓阻尼比 λ隨著圍壓 σ3的變化略有變化，圍壓升高，曲線略有降低，即阻尼比λ隨著圍壓的升高略有減小。在微小動應(yīng)變時，表現(xiàn)的不是很明顯，當(dāng) εd＞3×10－3時，表現(xiàn)的越明顯;當(dāng) εd=10－2時，圍壓每增加一級，阻尼比減小約5%～10%。

圖5 試樣破壞形態(tài)

3.3 動強度

動強度是試樣在動荷載作用下達到指定破壞應(yīng)變所需的動應(yīng)力。破壞應(yīng)變由破壞標(biāo)準(zhǔn)來確定。破壞標(biāo)準(zhǔn)分為三種:應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)、極限平衡破壞標(biāo)準(zhǔn)、孔壓標(biāo)準(zhǔn)。等壓固結(jié)條件下非飽和土的循環(huán)動三軸試驗中孔隙水壓力和孔隙氣壓力同時存在，而該條件下試樣主要產(chǎn)生軸向應(yīng)變(如圖5)，因此比較適合采用應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)。一般采用以應(yīng)變5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，具體以工程性質(zhì)而定。本次選用 εd=3%、5%、7%作為破壞應(yīng)變，討論不同應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)下壩料的動強度特征。

在等壓固結(jié)條件下，分別逐級施加動應(yīng)力，直到試樣達到破壞應(yīng)變?yōu)橹?，?表明，不同應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)下，動強度隨應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)的增大而增大;同一應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)下，動強度也隨圍壓的增大而增大，二者呈現(xiàn)較好的線性擬合關(guān)系，擬合度較高，見圖6。

表3 不同應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)下尾粉質(zhì)粘土的動強度

圖6 動強度與圍壓及應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系曲線

Cd、φd是動三軸試驗中評價土體動強度的重要定量指標(biāo)。在相同實驗條件下，分別確定試樣在三種圍壓下的主應(yīng)力 σ1、σ3，依據(jù)摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，繪制 3個應(yīng)力摩爾圓，再根據(jù)這3個應(yīng)力摩爾圓繪制它們的動抗剪強度包絡(luò)線，從而得到該動應(yīng)力下的動抗剪強度指標(biāo)Cd、φd。本次5組試樣的動強度指標(biāo)結(jié)果見表4。

表4 不同應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)下試樣的動強度指標(biāo)

圖7 粘聚力隨深度關(guān)系曲線

表4表明，1)動強度與破壞應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)息息相關(guān)，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，隨著破壞標(biāo)準(zhǔn)的增大，粘聚力與內(nèi)摩擦均增大，粘聚力的變化幅值大于摩擦角變化幅值。

2)從圖5及表4中可以看出，相同試驗條件下，第二組試樣發(fā)生了明顯的剪切破壞，動強度指標(biāo)先增大后減小，其原因在于試樣在 εd＞5%之后產(chǎn)生了明顯剪切破壞面，試樣破壞，其εd=7%時的指標(biāo)為殘余強度指標(biāo)。

3)壩料的動強度指標(biāo)較低，與其靜強度相比(見表2－4，圖7－8)，粘聚力與內(nèi)摩擦角均有所減小;且動強度指標(biāo)與取樣深度的相關(guān)性不明顯。這是由于尾礦壩是在水力分級作用下形成的，尾礦壩沉積層具有各向異性，其結(jié)構(gòu)強度隨尾礦類型、沉積方式、時間和空間而變化?？傮w而言，其自身的結(jié)構(gòu)強度較低，因此，在循環(huán)荷載作用下，土體結(jié)構(gòu)容易遭到破壞，導(dǎo)致其強度降低。

圖8 內(nèi)摩擦角隨深度關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文基于GDS動三軸試驗系統(tǒng)，對尾礦壩壩料動力特性進行試驗研究，初步得出以下結(jié)論:

(1)動彈性模量Ed隨著動應(yīng)變 εd的增加而急劇遞減，遞減速率先快后慢;動彈性模量 Ed與圍壓 σ3呈正相關(guān)性，圍壓每增加一級，Ed增加約20%;動彈性模量與動彈性應(yīng)變之間關(guān)系可用雙曲線模型來表示，并總結(jié)出了圍壓對模型參數(shù)的影響規(guī)律。

(2)阻尼比λ隨著動應(yīng)變 εd的增大而增大，增大速率先快后慢，隨著εd的繼續(xù)發(fā)展，阻尼比λ漸進于某一常數(shù)，達到最大值，即λmax。阻尼比λ隨著圍壓的升高略有減小，在微小動應(yīng)變時，表現(xiàn)的不是很明顯，當(dāng) εd＞3×10－3時，表現(xiàn)的越明顯。

(3)動強度與破壞標(biāo)準(zhǔn)息息相關(guān)，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，動強度指標(biāo)隨應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)的增大而增大，其中粘聚力的變化幅值大于摩擦角變化幅值;壩料的動強度指標(biāo)較低，與其靜強度相比，粘聚力與內(nèi)摩擦角均有所減小，且動強度指標(biāo)與取樣深度的相關(guān)性不明顯。

(4)由于尾礦壩壩料是一種具有特殊工程性質(zhì)的土，因此，在進行尾礦壩抗震穩(wěn)定性分析時，必須對其地層特征及物理力學(xué)指標(biāo)進行詳細的分析計算并建立合理的力學(xué)數(shù)學(xué)模型。

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